基于MATLAB/GUI的光伏电池工程用数学模型仿真系统的设计与实现

吴春芳

（广东电网有限责任公司江门开平供电局，广东 开平 529300）

随着化石能源的不断消耗，全球都正面临着能源的危机，而太阳能有着清洁、分布广泛等特点，很快地成为当今发展速度居第二的清洁能源[1-2]，太阳能与其他新能源相比较，利用率大，是目前理想的可再生能源。太阳能光伏电池的输出特性不仅与其模块的内部各种参数有关系，而且还与外界的温度和光照有着密切的关联[3]。因此，建立通用的工程用光伏电池模型，研究环境温度和光照强度等外部条件对太阳能电池输出特性的影响，是十分有必要的。

目前，已有大量的学者对其进行了一定的研究，文献[4-5]给出了一些光伏发电相关的仿真模型，但这些模型一般都需要已知一些特定的参数，所以分析研究起来便存在一定的困难。文献[6-7]给出了经过优化后的光伏电池模型，但是却不能任意改变原始参数而使得研究起来有些困难。文献[8]给出了光伏电池的原理模型，但参数选用过于趋于典型值，这样便会造成较大的误差。

根据光伏电池的基本理论，其等效模型如图1所示[9-12]。

图1 光伏电池的等效电路

由电子电路基本原理得到如式(1)的基于光伏电池物理原理的最基本解析式，已经被广泛运用在光伏电池的理论分析中，但由于IL、I0、Rsh、Rs和A均与日照强度和电池温度有关，且难于确定，也不是供应商向用户提供的技术参数，故而运用起来有一些困难。

式中：IL为光电流，A；Rsh为并联电阻，Ω；T为绝对温度，K；I0为反向饱和电流，A；A为二极管因子；q为电子电荷，1.6×10-19C；K为波耳兹曼常数，1.38×10-23C；Rs为串联电阻，Ω。

鉴于此，本文采用光伏电池的工程用数学模型，模型强调的是实用性和准确性的结合，只需要厂商提供参数，就可以拟合出高准确性的模型，且具有较好的移植性，此外，主要利用MATLAB/GUI编写了一款适用于光伏电池工程用数学模型的仿真计算软件，通过在仿真平台上设置输入参数便可以简洁而形象地分析电池的输出特性，提供了良好的交互性，这为微电网的进一步研究提供一定的参考。

1 光伏电池工程实用数学模型

本文根据光伏电池物理模型的外部输出特性，建立了适用于工程计算的数学模型，实际中厂商一般会提供给用户4个基本参数，即最大功率点电压Um、最大功率点电流Im、开路电压Uoc、短路电流Ise，利用这些参数经过大量的数据拟合出与实际输出特性类似的U-I特性曲线。根据光伏电池U-I关系曲线可以得到如下基本输出特性公式。

式中：U、I为光伏电池输出电压与电流，C1、C2为修正系数。

模型采用的是对不同光强和温度条件下厂商提供的4个参数进行修正，即对C1和C2进行修正，在任意环境条件下，经过大量的数据拟合对Um、Im、Uoc、Ise进行补偿修正，近似推算出如下任意光照S和电池温度T下4个技术参数修正量。

式中：补偿系数a、b、c为常数，据大量实验数据实验拟合，工程使用中其典型值推荐为a=0.0025℃，b=0.0005W/m2，c=0.00288℃。

使用这种环境修正法得到的过程用模型不需要物理模型中复杂的参数，只需厂商的4个基本性能参数就可以拟合出光伏电池的数学模型，且可以根据不同型号的电池来修正模型中的补偿系数，增加了模型的准确性，灵活性。

下面利用此工程模型分析研究温度和光照对光伏电池输出特性的影响，利用MATLAB编写了工程用模型的M文件，其中，电池基本参数为，Um=35.9V、Im=7.56A、Uoc=44V、Ise=8.29A，Rs=0.002Ω，仿真时补偿系数设置为典型值。其中模块输入变量为温度Tc；光照强度S；输出模块为光伏电池输出电流I，通过改变光照强度和温度参数来分析研究光伏电池的基本输出特性。

保持温度Tc为25℃时，使得光照强度S分别为600 W/m2、800 W/m2、1000 W/m2时的光伏电池阵列U-I、U-P曲线如图2所示。另外，为了研究温度的影响，设置光强S为1000 W/m2不变，改变温度T分别为25℃、28℃、31℃时，得到光伏电池输出特性曲线如图3所示。

图2 光强对输出特性的影响

由图2(a)可知，保持温度不变，光照强度越高，光伏电池的输出电流就会越大，在电压较低时电池近似为恒流源，光伏电池开路电压变化不大，在电压高时其性能与恒压源类似，短路电流和日照强度近似成正比。由图2(b)可知，保持温度不变，光照强度越高，光伏电池的输出功率越大，看出3条曲线的峰值几乎在同样大小的电压上，即当光照强度发生变化时，最大功率点的输出电压基本保持恒定。

图3 温度对输出特性的影响

由图3(a)可知，当光照强度不变时，随着温度的增大，光伏电池阵列开路电压减小，短路电流略有上升，但变化不大，因此最大功率点也在减小。由图3(b)可知，电压小于最大功率点电压附近，功率近似呈现出线性变化，温度越高，其最大输出功率却变得越小。

2 基于MATLAB/GUI光伏电池仿真平台的实现

图形用户界面（GUI）是由窗口、按键、光标、菜单、文字说明等对象（Object）构成的一个用户界面。用户通过一定的方法(如鼠标或键盘)选择、激活这些图形对象，使计算机产生某种动作或变化，比如实现计算、绘图等。

本文所分析的是对光伏电池输出特性的研究，而影响其输出特性的因素很多，其主要包括光照强度以及温度，故而仿真平台中要设置这些参数的输入端口以此来提供人机交互的仿真环境，通过改变参数可以形象的在软件界面中观察其变化规律。

2.1 仿真系统的整体设计

光伏电池输出特性仿真软件的整体设计也就是需要满足的基本功能，其所实现的主要功能模块包括参数变量设置、补偿系数、标准参数、导入数据分析模块以及系统的性能参数。该仿真系统实现的流程如图4所示。

图4 仿真平台流程图

2.2 光伏电池仿真软件的实现

本文所设计的光伏电池工程用仿真软件平台，其基本结构主要包括影响光伏电池特性的参数设置部分、图形显示部分、功能按钮部分3大类。用户可以在此平台上设置各种相应的输入参数来分析研究光伏电池的输出特性，此外，还可以导入外界已知的数据进行分析。

软件界面主要是由按钮pushbutton、图形窗axes、静态text、可编辑text来组成，其中静态text均是对参数输入信息和软件信息的显示，而可编辑text均是影响光伏电池输出特性的仿真参数的改变输入，4个pushbutton的功能分别为开始仿真、清除波形、导入数据以及退出软件按钮，仿真结果分别显示在U-I和U-P所在的图形窗口中，改变各参数观察仿真波形，总的来说，温度越低，电流和功率值越大；光照强度越大，电流和功率值越大。

3 结束语

本文利用MATLAB编写了光伏电池工程用模型的仿真程序，此数学模型有效地解决了一般模型中参数难于确定、不易建模、不灵活等劣势，分析得出光伏电池的输出是一个随温度、光照等因素非线性变化的量，可以看出工程实用模型移植性好，提高其通用性而且可以对修正系数的典型值进行调整，改善了工程模型输出特性曲线的精确度，最后利用MATLAB/GUI编写了一款适用于光伏电池工程用数学模型的仿真计算软件，通过在仿真平台上设置输入参数便可以简洁而形象地分析电池的输出特性，提供了良好的交互性，这为光伏电池输出特性以及微电网的进一步研究提供一定的参考。